單細胞定序分析介紹 (一): Cell Ranger

(10x Genomics, Loupe Browser)

單細胞定序的研究發展至今已經十幾年了。從下面這張圖[1]顯示每年新發表的單細胞定序技術，可偵測到的細胞數目近乎指數成長，每一年與前一年相比都是10倍上升，這也揭示單細胞定序發展的潛力。今天要跟大家介紹一個由 10x Genomics 公司所開發的分析流程化軟體Cell Ranger [2]，功能有：比對參考序列 reads (alignment)、feature-barcode 矩陣 (feature-barcode matrices)[註]、聚類分析結果 (clustering analysis)、基因表現量分析 (gene expression analysis)，目前最新版本為 Cell Ranger 3.1 (只支援Linux系統)。
 

 - cellranger mkfastq 這個指令主要功能是 demultiplex，將 Illumina 平台定序後的 raw base call (BCL) 轉檔成 FASTQ 檔案。當然，如果你拿到的檔案是 FASTQ 檔，可以跳過這一步。

- cellranger count 這個指令是最核心的步驟！這一步會比對樣本 FASTQ 跟參考序列的位置 (目前官方只提供人或老鼠的參考序列)，並決定哪些 barcode 是背景值、哪些 barcode 是 cell-associated [3]，產生下游分析的基因表現量表。早期的Cell Ranger 版本 (Cell Ranger v2.x and earlier)是假設 cell-associated barcode 應該會比背景 barcode 具有較多的 transcript counts，所以會設定一個閾值直接區分背景值及真實細胞barcode。而新版的 Cell Ranger (Cell Ranger v3.x) 則會分為兩步驟：

(1) 跟舊版一樣的假設，先找出 high RNA content 的 barcode，這些先被歸類為真實細胞。
(2) 將一群「可能是空的 GEMs (Gel Bead in Emulsions)」挑出來，利用圖靈估計 (Simple Good-Turing smoothing) 對其基因建立一個 background model [4]。第一步剩下的 GEMs 的基因就跟這個 background model 比較，與這個 model 差異較大的就被歸類為真實細胞。而這個做法其實就是要挑出 low RNA content 的細胞。

下圖是 10x 官網提供的比較 [3] (左：Cell Ranger 2.2，右：Cell Ranger 3.0)，綠色/藍色代表被判定為真實細胞，灰色代表背景值，樣本是混合 300 high RNA content 293T cells + 2000 low RNA content PBMC cells。圖是排序過的值，可以這樣解讀：有多少個 X(軸) barcode 帶有 Y(軸) 的UMI count。下圖可以看到，新版的 Cell Ranger 能夠將 low RNA content 細胞也挑出來，所以會比舊版細胞數還要多。

 

- cellranger aggr 當實驗設計為多樣本或多重複時才會需要這個步驟，必須將每個樣本庫 (library)先個別做完 cellranger count 再整合。這一步值得注意的參數是 “normalize”，預設為 mapped，計算方式是對每一個要合併的樣本取得「每顆細胞平均mapped到多少Transcriptome」，再以最小值當作基準，依比例重新計算每個合併樣本的 UMI count [5]。若下游分析會進行其他 normalize 處理，可以在這一步設置為 none。另外，cellranger aggr 也提供了一個 batch correction 功能，不過要提醒大家的是，這裡官方有特別強調，此功能主要是針對「樣本所採用的不同試劑版本」做校正，其他我們所認知的，例如重複實驗的校正是不適用的。如果需要其他類型的校正，需要使用第三方套件 [6]。

 - cellranger reanalyze 最後這個功能比較進階，讓使用者可以彈性的重新計算、改變參數設定，例如有一群特定想看的細胞、想要排除的基因；或是聚類分析的參數，例如設定多少個 PC (principle components)、幾個 k-means clusters…等的。但是這個步驟目前不支援 Feature Barcoding analysis，所以 output 並不會看到一個新的基因表現量表，唯一能夠體現差異的是附帶的可視化 Loupe 檔案，結果可能會跟前面不同。 下圖為基本的Cell Ranger單樣本分析流程示意圖

今天介紹的這個 Cell Ranger 軟體提供使用者一個自動化的分析流程，能夠產生初步的單細胞分析結果，並且在官網上記錄各種疑難雜症讓使用者搜尋參考。特別是 Alignment 步驟，Cell Ranger 包裹被普遍使用的 STAR aligner，給使用者一個不囉嗦的分析選擇，這對於沒有特別參數設定需求的試用者來說，非常方便。不過也因為這樣簡單方便，其他客製化流程就必須配合別的套件進行分析。對於 Cell Ranger 有興趣的話，不妨前往至 10x 官網參觀看看囉！